共面圆轨道航天器在轨服务任务规划

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1、34中国空间科学技术2010年2月ChineseSpaceScienceandTechnology第1期共面圆轨道航天器在轨服务任务规划欧阳琦赵勇陈小前(国防科学技术大学航天与材料1二程学院，长沙410073)摘要为了降低“一对多”在轨服务的成本，以共面圆轨道卫星群为研究对象，开展了在轨服务任务规划问题的研究。首先，对“一对多”在轨服务任务场景进行了分析，建立了任务规划数学模型，将其简化为包含内层Lambert问题、外层最优时间分配问题的双层优化模型。然后，给出了任务规划求解方法及流程，提出采用工程图解法的思想求解内层多圈Lambert问题，采用遗传

2、算法求解外层最优时间分配问题。最后，以三个目标航天器为例，针对限制和不限制在轨服务任务完成总时间这两种情况，采用上述方法进行求解，计算结果验证了方法的有效性。关键词遗传算法在轨服务任务规划共面圆轨道航天器1引言近年来各航天大国纷纷提出以“在轨服务”的方式提高航天器在轨机动能力和工作寿命。根据目标航天器的数量不同，可以将在轨服务分为“一对一”和“一对多”两种方式。“一对一”方式是指在一次在轨服务任务中，由一个服务航天器对单个目标航天器进行在轨服务；而“一对多”方式则是指对多个目标航天器进行在轨服务；国外研究表明¨]，“一对多”的在轨服务方式具有较大优势

3、，也是未来在轨服务的主流方式。这是因为在轨服务的方案会使航天器本身的复杂度大大提高，从而增加航天器的成本，若只对单个目标航天器进行在轨服务操作，其成本可能会比重新发射一个相同的航天器还高。目前，国内外对“在轨服务”技术本身的研究较多，美国的“轨道快车”计划在太空中进行了在轨加注的试验，El本的ETS—VII进行了在轨模块更换的试验，这些研究成果证明了空间进行在轨服务的可行性。但是，对于“一对多”的在轨服务任务来说，其本身是一个规划问题，通过建立合理的数学模型并进行优化，可以有效地减少整个在轨服务的成本，而目前对于这方面的研究相对较少。由于异面轨道机动

4、方式所消耗的燃料较多，因此“一对多”在轨服务的对象一般是共轨道面或轨道面之间倾角差较小的一系列航天器。文献E23对运行在地球同步轨道且轨道倾角较小的一系列卫星的在轨服务任务开展了相关研究，文中将共面转移与变轨道面机动所消耗的燃料进行了比较，结果表明共面转移所消耗的燃料基本可以忽略，并在此前提下将该任务规划问题简化成TSP问题(即最短路问题)进行求解。文献[3—8]对运行于同一轨道上的圆轨道卫星群的在轨加注任务进行了研究，其研究内容较为系统，且考虑了目标航天器互相之间还可以进行推进剂补给的情况。由于在实际工程应用中，目标航天器并不一定在同一轨道上，因此

5、本文研究目标航天器运行在不同轨道上的情况，重点对共面但轨道高度不同的若干圆轨道目标航天器的在轨服务任务规划问题进行了研究。收稿日期：2009—06—04。收修改稿El期：2009—08一II2010年2月中国空间科学技术352任务规划模型2．1任务场景及规划问题本文所研究的在轨服务任务场景如图1所示，服务航天器运行在低轨道上，对运行在高轨道上的n个目标航天器进行在轨服务，顺序为依轨道高度从低至高依次进行服务。对于单个目标航天器的在轨服务，分为远程导引、近程接近、捕获对接、服务任务操作、分离几个阶段，其中远程导引段采用多圈、双冲量的转移方式。在整个在轨

6、服务任务完成后，服务航天器停留在最后一个目标航天器的轨道上。以任务总时间为约束条件，以燃料消耗最省为优化目标，则规划问题归结为：在上述场景下，给定整个在轨服务过程的总时间，在不大于该时间的情况下使得燃料消耗最小。图1加注场景示意图2．2模型分析服务航天器与目标航天器交会过程中的远程导引段所要解决的问题即多圈、双冲量Lambert交会问题。该问题本身即是一个复杂的优化问题，这是因为对多圈转移来说，若给定服务航天器与目标航天器之间的初始相位差及转移时间，转移轨道有2N。，+1个解(其中N。，为最大转移圈数)，不同的解对应不同的变轨速度增量，从这2N。。+

7、1条轨道中找出最优的转移轨道需要反复求解Lambert方程，而该方程的求解难度较大。将整个在轨服务任务分为t／个阶段，从对第i一1个目标航天器服务完成至对第i个目标航天器服务完成称为阶段i。本文所研究的规划问题首先需要通过优化算法为每一个阶段分配相应的服务时间，其次进行多圈、Lambert问题的求解，得到相应的燃料消耗量，重复上述计算过程直至求得最优解，因此该规划问题是一个双层优化问题。外层为最优时间分配问题，内层即多圈Lambert问题。由于该问题存在嵌套优化，因此，大大增加了模型的求解难度。为简化模型，在整个加注任务过程中忽略姿控的推进剂消耗量，

8、这是因为与轨控的推进剂消耗量相比，姿控的推进剂消耗量较少；每颗目标航天器加注过程中所需的服务任务操作以及分离